고속 실속·Vg 선도와 선회반경 — 조종사 핸드북 5장 (8/11)

앞 편은 P-팩터·하중배수와 실속속도였습니다. 이번 편은 고속 실속, 샹델·레이지 에이트, 난기류 하중, Vg 선도, 선회율·선회반경, 중량·평형입니다.

고속 실속

평범한 경량기는 고속 실속(high speed stall)에 반복되는 하중배수를 견디게 만들어지지 않았습니다. 이 기동에 필요한 하중배수는 날개와 꼬리 구조에 응력을 주고, 대부분의 경량기에서 충분한 안전여유를 남기지 않습니다.

정상 실속속도보다 높은 속도에서 실속을 내려면 하중배수를 더해야 하고, 승강타를 세게 당기면 됩니다. 실속속도의 1.7배(실속 60노트인 경량기면 약 102노트)에서 하중배수는 3G입니다. 경량기 곡예에 허용되는 오차 여유는 매우 좁습니다. 속도에 따라 하중배수가 얼마나 빨리 커지는지 보면, 같은 기체에서 112노트 고속 실속은 4G입니다.

샹델과 레이지 에이트

샹델(chandelle)은 최대성능 상승선회입니다. 대략 수평직선비행에서 시작해, 정확히 180° 선회를 마치고 날개 수평·기수 높은 자세로 최소조종가능속도에 도달합니다. 가파른 상승선회 속에서 거의 실속 직전까지 가서, 방향을 바꾸며 고도를 얻습니다.

레이지 에이트(lazy eight)라는 이름은, 기체의 연장된 종축이 옆으로 누운 “8”자 비행 경로를 그리도록 해서 붙었습니다. 둘 다 매끄러운 얕은 강하와 기수 올림이 섞이므로, 하중배수를 한 값으로 단정하기는 어렵습니다. 실제 하중배수는 강하 속도와 기수 올림의 급함에 정비례합니다.

기동을 잘할수록 하중배수는 덜 극단적입니다. 기수 올림이 2G를 넘는 샹델·레이지 에이트는 고도 이득이 오히려 줄고, 저출력 기체에서는 고도가 순손실이 되기도 합니다.

가장 매끄러운 기수 올림, 중간 정도의 하중배수가 샹델에서 고도 이득이 가장 크고, 두 기동 모두 전체 성능이 낫습니다. 권장 진입 속도는 대체로 제작사 설계기동속도(VA) 근처입니다. 그 속도에서는 하중 한계를 넘지 않으면서 하중배수를 최대로 키울 수 있습니다.

난기류

표준 감항증명을 받은 항공기는 상당한 세기의 돌풍 하중을 견디게 설계됩니다. 돌풍 하중배수는 속도가 커질수록 커지고, 설계에 쓰는 강도는 보통 최고 수평비행속도에 맞춥니다. 뇌우·전선처럼 공기가 매우 거칠면 속도를 설계기동속도까지 줄이는 것이 현명합니다. 속도를 아무리 잡아도, 하중 한계를 넘는 돌풍은 있을 수 있습니다.

기체마다 구조 손상 없이 견딜 수 있는 G 하중이 정해져 있습니다. 설계에 넣는 하중배수는 두 종류입니다. 제한하중(limit load)과 극한하중(ultimate load)입니다. 제한하중은 기체 구조가 원래 모양으로 돌아가지 않는 굽힘을 일으키는 힘입니다. 극한하중은 제한하중을 넘어, 재료가 구조 파괴(파손)에 이르는 하중배수입니다. 제한하중보다 작은 하중배수는 구조 건전성을 해치지 않고 버틸 수 있습니다.

설계기동속도까지, 그 속도를 넘지 않으면, 제한하중을 넘는 하중배수가 생기기 전에 항공기가 먼저 실속합니다.

요즘 AFM/POH 대부분은 난기류 관통 정보를 실어, 속도·고도 범위가 넓은 기체를 안전하게 다루도록 돕습니다. 명패의 절대초과(“never-exceed”) 급강하속도는 매끄러운 공기에서만 정해진 값입니다. 알려진 설계기동속도를 넘는 고속 급강하나 곡예는 거칠거나 난기류인 공기에서 연습하지 마십시오.

Vg 선도

항공기의 비행 운용 강도는 세로축을 하중배수로 잡은 그래프에 나타냅니다. 이 그림이 Vg 선도입니다. 속도(velocity) 대 G 하중, 곧 하중배수입니다. 기체마다 Vg 선도가 있고, 특정 무게와 고도에서만 유효합니다.

먼저 볼 것은 최대 양력 능력 곡선(굽은 선)입니다. 그림 5-55의 항공기는 날개 수평 실속속도 64 mph에서 +1G를 넘기지 못합니다. 최대 하중배수는 속도의 제곱에 비례하므로, 이 기체의 최대 양(+) 양력 능력은 92 mph에서 2G, 112 mph에서 3G, 137 mph에서 4.4G, 이런 식입니다. 이 선 위의 하중배수는 공기역학적으로 쓸 수 없습니다. 최대 양력 능력 선 위로는 실속해서 날 수 없기 때문입니다. 음(−)의 양력 비행도 같습니다. 다만 같은 크기의 음 하중배수를 만들려면 양 하중배수보다 속도가 더 필요합니다.

양 제한하중배수 4.4보다 큰 양 하중배수로 날면 구조 손상이 가능합니다. 이 구역에서는 주구조의 바람직하지 않은 영구 변형이 생기고, 피로 손상이 빠르게 쌓입니다. 정상 운용에서 제한하중배수 위는 피해야 합니다.

Vg 선도에서 중요한 점이 둘 더 있습니다. 하나는 양 제한하중배수와 최대 양 양력 능력 선이 만나는 점입니다. 이 속도가 제한하중을 공기역학적으로 만들 수 있는 최소 속도입니다. 이보다 빠르면 기체를 손상시킬 만큼의 양 양력이 나오고, 이보다 느리면 과다 비행하중으로 손상시킬 양 양력이 나오지 않습니다. 이 속도를 보통 기동속도(maneuvering speed)라고 합니다. 아음속 공기역학으로 보면 쓸 수 있는 최소 선회반경, 곧 최대 기동성이 이 조건에서 나오기 때문입니다. 이 점 아래에서 운용하면 손상을 주는 양 비행하중을 만들 수 없습니다. 기동과 돌풍을 어떻게 겹쳐도, 기동속도 아래에서는 과다 공기하중으로 손상이 생기지 않습니다.

다른 하나는 음 제한하중배수와 최대 음 양력 능력 선이 만나는 점입니다. 이보다 빠르면 기체를 손상시킬 음 양력이 나오고, 이보다 느리면 과다 비행하중으로 손상시킬 음 양력이 나오지 않습니다.

제한속도(레드라인)는 설계 기준점입니다. 이 예에서는 225 mph입니다. 제한속도를 넘어 날면 여러 현상으로 구조 손상이나 구조 파괴가 날 수 있습니다.

비행 중 항공기는 제한(레드라인) 속도를 넘지 않고, 제한하중배수를 넘지 않고, 최대 양력 능력을 넘을 수 없는 속도·G 구역에 묶입니다. 이 “엔벨로프” 안에서 운용해야 구조 손상을 막고, 기체가 예정한 수명을 채웁니다. Vg 선도는 안전한 운용을 위한 속도와 하중배수의 허용 조합입니다. 구조 엔벨로프 밖의 기동, 돌풍, 돌풍과 기동의 합은 구조 손상을 일으키고 수명을 실질적으로 깎습니다.

선회율

선회율(ROT, rate of turn)은 항공기의 기수 방향이 바뀌는 각속도이고, 초당 도(°/s)로 나타냅니다. 상수 1,091에 경사각의 탄젠트를 곱하고, 그 값을 노트 단위 속도로 나눕니다. 그림 5-56이 그 식입니다. 속도를 올리고도 같은 선회율을 유지하려면 경사를 키워야 합니다. 그렇지 않으면 선회율이 떨어집니다. 반대로 속도를 고정하면, 경사를 키울수록 선회율은 커집니다. 그림 5-56부터 5-58의 식이 경사각과 속도가 선회율에 미치는 관계입니다.

참고: 이 절의 속도는 모두 진대기속도(TAS)입니다.

속도는 선회율에 크게 영향을 줍니다. 같은 경사를 유지한 채 속도를 올리면 선회율은 줄어듭니다. 따라서 속도를 올리면, 낮은 속도에서 쓰던 선회율을 그대로 얻으려면 경사를 키워야 합니다.

같은 공식에 240노트를 넣으면 선회율은 2.62°/s입니다. 속도가 늘면 같은 경사에서 선회율이 줄어듭니다.

실무에서 이 숫자가 의미하는 것은 이렇습니다. 속도와 경사가 정해진 선회율을 만들면, 360°(한 바퀴)에 걸리는 초는 나눗셈입니다. 120노트·30°면 선회율 5.25°/s이고, 360 ÷ 5.25 = 68.6초가 한 바퀴입니다. 240노트 TAS·30°면 선회율은 약 2.63°/s이고, 360°에 약 137초가 걸립니다. 식을 보면, 속도 증가는 호를 도는 시간에 정비례합니다.

선회율을 알면 그 선회에 필요한 거리를 구할 수 있습니다. 그것이 선회반경입니다.

선회반경

선회반경은 선회율과 직결되고, 선회율은 경사각과 속도의 함수입니다. 경사를 고정하고 속도를 올리면 선회반경은 커집니다. 속도가 크면 같은 각을 도는 동안 더 긴 호를 갑니다. 120노트 항공기가 240노트 항공기보다 360°를 더 작은 반경으로 돕니다. 속도 증가를 상쇄하려면 경사를 키워야 합니다.

선회반경 R은 속도의 제곱(V²)을 11.26 × tan(경사각)으로 나눈 값입니다.

그림 5-56~5-58의 두 속도로 반경을 계산할 수 있습니다. 속도가 두 배가 되면 반경은 네 배가 됩니다.

120노트·30°면 R = 120² ÷ (11.26 × 0.5773) = 14,400 ÷ 6.50 ≈ 2,215피트입니다.

다른 방법은 초당 피트(fps), π(3.1415), 선회율을 쓰는 것입니다. 앞에서 선회율 5.25°/s면 한 바퀴에 68.6초가 걸렸습니다. 노트는 1.69를 곱하면 fps입니다. 120노트(TAS)는 202.8 fps입니다. 202.8 × 68.6 = 13,912피트(원주). π로 나누면 지름 4,428피트, 다시 2로 나누면 반경 2,214피트입니다. 앞 식의 2,215피트와 1피트 차입니다.

그림 5-62에서 조종사는 협곡에 들어가 180°를 돌아 빠져나오기로 하고, 경사 30°를 씁니다.

중량과 평형

항공기의 중량·평형 자료는 조종사가 자주 다시 봐야 하는 정보입니다. 감항 과정에서 무게를 달았더라도, 그 값이 영원히 유효하지는 않습니다. 장비 변경·개조가 중량·평형을 바꿉니다. 조종사가 너무 자주 경험 법칙으로 줄입니다. “승객 셋이면 연료 100갤런, 넷이면 70갤런” 같은 식입니다.

중량·평형 계산은 매 비행 전 브리핑의 일부여야 합니다. 승객 셋이 언제나 같은 몸무게라고 가정하지 마십시오. 수하물, 조종사, 승객을 포함해 실리는 모든 항목을 전부 계산하십시오. 가방은 모두 무게를 달아 무게중심(CG) 위치를 정확히 잡는 것이 좋습니다.

무게중심의 중요성은 안정성·조종성·성능을 다룰 때 이미 강조했습니다. 불균등한 탑재 분포는 사고를 만듭니다. 유능한 조종사는 무게중심이 기체에 미치는 영향을 이해하고 지킵니다.

중량·평형은 항공기를 성능 한도까지 쓰는 데 핵심입니다. 무게중심 한계와 중량 한계를 넘지 않으면서, 장거리·단거리, 허용 승객을 가득 태우거나 비운 채, 연료를 얼마나 실을 수 있는지를 알아야 합니다. 예를 들어 좌석 넷, 연료 60갤런인 기체가 있습니다. 승객을 몇 명까지 태울 수 있습니까? 연료량이 바뀌어도 네 자리를 항상 채워도 됩니까? 한 사람 150파운드 넷과 200파운드 넷은 계산이 다릅니다. 후자는 200파운드가 더 실리고, 연료 약 30갤런에 해당합니다.

그 추가 중량이 무게중심을 엔벨로프 밖으로 밀어낼 수도, 안 밀어낼 수도 있습니다. 다만 최대이륙중량은 넘을 수 있습니다. 초과 중량은 기체를 과응력에 넣고 성능을 떨어뜨립니다.

항공기가 중량·평형으로 감항증명을 받는 주된 이유는 둘입니다.

1. 중량이 주구조와 성능 특성에 미치는 영향
2. 그 중량의 위치가 비행 특성, 특히 실속·스핀 회복과 안정성에 미치는 영향

열기구와 체중이동 조종(weight-shift control) 항공기처럼, 하중이 양력 장치 아래에 매달린 형식은 중량·평형 계산이 필요하지 않습니다. 이런 기체의 무게중심 범위는 탑재 한계를 넘기기 어렵게 잡혀 있습니다. 체중이동 기체의 뒷좌석과 연료는, 기체가 매달린 자세에서 행 포인트에 최대한 가깝습니다. 그래서 탑재가 바뀌어도 무게중심 이동이 작습니다. 열기구 바구니(곤돌라)도 같습니다. 무게중심 한계는 넘기기 어려워도, 과적은 구조 손상과 파괴를 일으키므로 절대 과적하지 마십시오. 중량·평형 계산은 필수가 아니지만, 무게를 계산해 제작사 한계 안에 두어야 합니다.

다음 편은 중량이 이착륙 성능·구조·안정성·조종성에 미치는 영향입니다.

이 글은 미국 연방항공청(FAA)의 Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge(FAA-H-8083-25B)(퍼블릭 도메인)를 번역·재구성한 시리즈입니다.